一、裝置簡介

　　(一)裝置發展及類型

　　高壓聚乙烯是目前世界上產量最大，價格較低，用途廣泛的通用塑料之一。其薄膜制品，電器絕緣材料，注塑、吹塑制品，涂層，板材，管材在工農業生產和日常生活中得到普遍應用。并且由于生產技術不斷發展以及共聚產品的不斷出現，使之產品性能得到進一步的改善，用途日趨廣泛。

　　高壓聚乙烯是以乙烯單體在100-300MPa(表)的高壓條件下，用有機過氧化物為催化劑經聚合而制得的。因其產品密度一般為0．910-0．935(高密度聚乙烯的密度則為0．940—O．970)，故又稱低密度聚乙烯。高壓聚乙烯從1939年開始工業化，至今已有六十多年的歷史了。高壓聚乙烯在聚乙烯生產中占優先地位，近些年來大型單線生產能力20X104t／a以上的裝置還在繼續大規模發展，其主要原因是：

　　1．產品具有優良的物理機械性能、電氣絕緣性、耐化學腐蝕性、耐低溫性和加工性能，因而用途廣泛。

　　2．工藝過程簡單，不需采用復雜的催化劑系統，即可得到高純度聚乙烯產品，沒有催化劑和溶劑回收等過程。

　　3．在高壓條件下操作，反應設備小，能力大，催化劑用量少，技術經濟指標較好，成本較低，它是塑料中價格較低的品種之一。

　　高壓聚乙烯生產最顯著的特點就是操作壓力很高，不但有30MPa以上的高壓系統，而且有iOOMPa以上的超高壓系統。目前世界上高壓聚乙烯的生產方法很多，不下十余種，按反應器形式劃分，大致可分為管式反應器和釜式反應器兩大類。一般的說管式法生產的聚乙烯因反應器壓力梯度大和溫度分布寬、反應時間短、所得聚合物的支鏈少、分子量分布寬，適宜制造薄膜和共聚物；單程轉化率高，但存在器內粘壁、堵塞等問題。釜式法反應壓力為100—250MPa，較管式法(200—350MPa)低，單程轉化率較低，反應時間長，停留時間分布大，聚乙烯的長支鏈分子較多，分子量分布較狹窄，富于韌性，適宜于生產注塑、擠塑成型及涂層產品，尤其是多反應釜的釜式法聚乙烯，每個反應釜都可以進行多區的反應，生產的產品具有許多優良的性能。

　　近年來國外發展高壓聚乙烯的一個動向是生產規模日趨大型化。新建高壓聚乙烯規模基本都在20X104t／a以上，尤其是管式法聚乙烯。相應的設備也不斷增大，如高壓釜式反應器已達到750L，管式反應器長度增至2000m以上，超高壓壓縮機最大壓縮量已達到80t／h以上，壓力為350MPa；另一個發展動向是聚合反應器的高壓化，不少廠家聚合壓力達300~350MPa，甚至有高達500MPa者。從乙烯高壓反應的機理來看，隨著反應壓力的提高，反應速度加快，同時可減少長支鏈分子的形成，提高結晶度和密度，對增大單位生產能力及提高產品質量是有利的。

　　燕化公司的釜式法高壓聚乙烯是由日本住友化學株式會社引進的18X104t／a釜式法低密度聚乙烯成套裝置，于1976年建成。目前裝置的生產能力已經超過21X104t／a。另外，燕化公司化工一廠20X104t／a生產能力的高壓管式法聚乙烯裝置也于2001年建成投產，利用釜式法高壓聚乙烯和管式法高壓聚乙烯不同的產品，生產出性能優異和較高附加值的產品，進一步優化產品結構，是目前高壓裝置未來發展的趨勢。

　　(二)單元組成與工藝流程

　　1．裝置的主要單元構成

　　高壓聚乙烯裝置的基本組成單元為：壓縮單元，聚合單元，分離造粒單元，混合空送單元。各單元作用介紹如下：

　　(1)壓縮單元

　　壓縮部分是將3．3MPa(表)、30℃的新鮮乙烯及高、低壓分離系統分離的未反應乙烯經一次壓縮機(C—1)，二次壓縮機(C—2)加壓至反應所需的壓力，即130-250MPa(表)。

　　(2)聚合單元

　　二次壓縮機送出的高壓乙烯氣進入反應器A、B聚合成聚乙烯；反應熱由中間冷卻器(E—15A)和反應器的水冷夾套導出，反應溫度為180-270~C，由注入引發劑的多少來控制。

　　(3)分離及造粒單元由反應器(R—3B)出來的乙烯、聚乙烯混合物，經減壓、冷卻之后進入高壓分離器(V—

　　2)。將未反應的乙烯與聚乙烯分離，氣體經分離去低聚物并冷卻后，絕大部分循環使用，少量經減壓、加熱后返回乙烯裝置進行精制。

　　由高壓分離器底部出來的聚乙烯減壓后進入低壓分離器(D—10)，氣體經冷卻后循環反應，底部聚乙烯進熱進料擠壓機(X—1)，經擠出，水下切粒、脫水、干燥得聚乙烯顆粒。

　　(4)混合與空送單元

　　造粒后的聚乙烯顆粒，用空氣輸送到混合部分，進行計量、檢驗、摻混、儲存，之后送往包裝儲運。還有一些輔助系統，如引發劑配制系統、輔助油系統等。

　　2．工藝流程

　　釜式法高壓聚乙烯工藝是以乙烯車間送來的3.3MPa(表)、30℃的乙烯為原料，經一次壓縮機和二次壓縮機壓縮到反應所需壓力(130—250MPa(表))，送人反應器內，以有機過氧化物作為引發劑，在高溫高壓條件下進行聚合，從反應器出來的物料在高壓分離器內將未反應的乙烯和聚合物作一次分離；然后在低壓分離器內將未反應的乙烯和聚合物作第二次分離，聚合物經切粒后進行計量、混合，如不需均化的產品即可裝袋出廠。未反應的乙烯少部分返回乙烯裝置，絕大部分根據壓力不同分別返回本裝置相應部分循環使用。

　　(三)化學反應過程

　　高壓法聚乙烯的制造是通過自由基聚合反應進行的，它的反應歷程和一般的乙烯基化合物聚合反應一樣，可以用下列單元反應表示。

　　1．鏈引發反應

　　鏈引發即是乙烯分子在某種活性基團的作用下，打開雙鍵成為活性分子的過程，也就是單體轉變成自由基的過程。反應引發所必需的自由基是由鏈引發劑(即催化劑)的遇熱分解生成的。引發劑一般使用氧、有機過氧化物及偶氮化合物等。

　　2．鏈增長反應

　　鏈增長反應是由引發劑引發后的活性乙烯分子與周圍的單體乙烯分子進行鏈鎖反應而成為鏈狀大分子的過程。

　　3．鏈終止反應

　　活性鏈狀游離基并非無限地增長下去，由于自由基之間的相互作用，使鏈增長反應終止。

　　(1)偶合終止反應：兩個活性增長鏈自由基相互化合或鏈合而導致鏈終止。

　　(2)歧化終止反應：兩個活性增長鏈之間，由于氫原子的轉移而產生一個飽和分子，同時生成了含有不飽和端基的另一個分子：

　　4。鏈轉移反應

　　在聚合反應過程中，除了正常的鏈增長反應外，增長中聚合物的活性可以傳遞到另一單元或大分子中，和氫原子作用而生成新的自由基，此為鏈轉移反應。在乙烯的自由基聚合中，發生以下鏈轉移反應：

　　(3)分子間的鏈轉移

　　活性增長鏈和其他聚合物大分子發生鏈轉移，生成新的自由基，如果乙烯分子與這種新的活性自由基價鏈繼續結合，便形成大分子內的長鏈支化。這種長鏈支化若讓任其發展下去，便生成一種超高分子量的所謂“微觀凝膠’’效應。這應力求避免。因為這種微觀凝膠(魚眼產生的原因)能使該產品的光學性能下降。

　　(4)分子內部的鏈轉移

　　活性增長鏈中氫原子為同一鏈所奪取(即自由基在分子內部轉移)，如果乙烯分子與這種活性的自由價鍵繼續結合，就發生分子內的短鏈支化，這種短鏈支化直接影響到了高分子集結態的緊密程度，即高分子樹脂產品的密度和結晶度，以及產品的分子量和分子量分布大小，因此，在工藝制造過程中，利用短鏈支化，來控制產品性能，已成為重要手段之一。

　　鏈轉移反應是聚合物自由基自身停止增長的一種終止反應，因為自由基活性中心向其他分子轉移，總的自由基個數并沒有減少。所以，不影。向聚合速度，這一點與鏈終止反應是不同的。

　　(四)主要操作條件及工藝技術特點

　　１．主要操作條件因不同的工藝操作條件不盡相同，表5—6列出常用生產牌號的主要操作條件。

　　2．工藝技術特點

　　高壓聚乙烯裝置采用750L大型釜式反應器，并采用雙釜串聯工藝生產低密度聚乙烯。其特點如下：

　　(1)由于設備大型化使之實現生產系列大型化。在本裝置中單系列生產能力已達到6X10⁴t／a。使之建設費用大大降低，如用單系列6X10⁴t／a的裝置與兩系列能力各為3X10⁴t／a的裝置比較，前者可節省投資25％左右。

　　(2)裝置中聚合反應采用雙釜串聯，即把從第一臺反應器(A)出來的未反應乙烯和聚乙烯的混合物經一中間冷卻器冷卻后(聚合物不用分離)直接進入第二臺反應器(B)進一步反應，從而使單程轉化率由單一反應器的17％提高到20％以上(最高可達24％)。由于單程轉化率提高了，動力消耗及原材料消耗定額也有較大的降低，因而生產成本也降低。

　　(3)進行分區操作時，可得性能接近于管式法的產品。采用反應乙烯和催化劑多點進料的方式，變更各分區的反應溫度，從而可得到具有分子量分布較寬的聚乙烯產品(適宜于制造薄膜)，此外由于在此工藝中不使用分區攪拌器，仍用單區攪拌器，不必更換攪拌軸和變更配管就能實現，因而提高了開工率。

　　(4)開車方式采用一開始就把95％以上的乙烯氣體預熱加入到反應器內，并且預先使反應器內的溫度、壓力達到開始時所需要的狀態后，再加入催化劑。二次壓縮機為定速運轉，因而提高了操作的穩定性和安全性。

　　(5)成品聚乙烯熔融指數控制穩定、嚴格；從而降低了不合格晶率。

　　(6)采用了添加劑直接加料、事故停車聯鎖系統、高壓循環氣中低聚物連續分離、二次壓縮機、均化擠壓機的定速運轉、加工包裝空氣輸送系統時程序控制等技術，均有利于操作的穩定和安全。

　　(五)原料性質

　　原料性質列于表5-7。

　　二、重點部位及設備

　　從裝置的平穩生產和安全角度進行分類：

　　1．重點部位

　　(1)壓縮部分

　　壓縮部分是將由乙烯裝置來的新鮮乙烯升壓至反應所需要的壓力(100~250MPa)，并送人反應部分的裝置。其單線核心部分由1臺往復式對稱平衡型六段壓縮機(C-1)，1臺往復式對置平衡型兩段壓縮機(C-2)組成。輔助部分由5套壓縮機注油系統，1個高壓和1個低；壓受槽，3臺列管式換熱器，8臺套管式換熱器等組成。壓縮機由于長期運轉、設備老化、機、電、儀故障、高壓及超高壓備件質量問題、潤滑油質量問題，會嚴重影響壓縮機的正常運轉。并且C-2出口壓力在200MPal)i上，一旦出現運轉問題，發生泄漏將非常危險，是裝置核心部位，也是高危險部位。在日常生產中，若發生不影響壓縮機運轉的故障，處理得當，裝置可繼續運轉；如涉及到壓縮機運轉故障，則必須單線停車檢修處理，發生氣體泄漏時要緊急停車處理。

　　(2)聚合部分

　　聚合部分(反應部分)是將催化劑加入由壓縮部分送來的高壓乙烯中，使乙烯氣轉化成聚乙烯的部分。其單線核心部分由2臺反應器(R-3)，6臺催化劑泵，2臺超高壓換熱器組成。輔助部分由10臺超高壓換熱器、1套緊急放空閥、2套油壓系統等組成。聚合部分是高壓裝置反應的核心部分，其反應壓力在130~200MPa以上。反應壓力、溫度、催化劑加入量的控制直接影響到產品的轉化率和質量問題。如工藝指數給定、現場操作或機、電、儀等關鍵部位發生問題，將導致產品判級不合格、反應轉化率下降等問題。如遇氣體泄漏或溫度無法控制將導致分解、爆破等重大事故，是裝置的事故多發區。聚合部分的所有關鍵設備都在反應壩墻里面，反應壩墻是開放式的。

　　(3)切粒部分

　　切粒部分(分離造粒部分)是把由反應器送出的熔融聚乙烯和未反應的氣體進行分離。未反應的氣體經分離、冷卻、除去低聚物后返回壓縮工段再壓縮，然后送回反應器的部分。其核心部分由高低壓2臺分離器、1臺切粒機組成。輔助部分由4臺換熱器、6臺分離器、1套油壓系統、一套脫水、分離、送料系統等組成。切粒系統直接關系到高壓產品質量、產量。生產中，如因操作失誤、設備原因等導致切粒系統發生故障，短時間內尚可通過降負荷等手段繼續生產，但這樣的結果通常會影響到產品的質量。如發生大量塊料、夾帶等事故，則必須停車檢修處理。另外，為了調整產品性能而注入的添加劑也在這部分進行，在切粒部分的分離部分中如分離器料面過高將導致夾帶事故出現，也是裝置的事故多發區。此部分的關鍵設備也是放置在壩墻以內。

　　高壓裝置重點設備機組為壓縮機、反應釜、超高壓換熱器、催化劑泵、切粒機，此外，還有許多的特殊閥門，如控制反應壓力的超高壓調節閥(PCV—5)、控制反應壓差的柱塞式遙控操作閥(HCV—33)，緊急放空閥(HCV—31)，這些閥門出現問題會使裝置部分停工或單線裝置停工，處理不當也有可能導致惡性事故發生。

　　2．重點設備

　　(1)一次壓縮機(C—1)

　　一次壓縮機為高壓壓縮機，是用功率為1300kW的同步無刷勵磁電機驅動，系六級五缸臥式對稱平衡型活塞式壓縮機。一次壓縮機(C—1)分為高、低壓兩組，低壓段(1、2、3段)是把由低壓受槽(D—8)來的0．03—0．04MPa的低壓循環乙烯氣體壓縮到3．5MPa，并送人4段入口。高壓段(4、5、6段)是把從高壓受槽(D—7)以及前段來的約3．5MPa的乙烯氣體壓縮到25MPa并送人混合器(V—1)。一次壓縮機(C—1)作為本裝置的第一級壓縮部分，其一旦因故障突然停機，后系統將無法維持正常壓力而造成裝置單線停車。一次壓縮機的低壓段相當于低壓循環氣的壓縮機，國內其他的高壓聚乙烯裝置有的是作為一臺獨立的壓縮機來工作的，稱為增壓機。一次壓縮機設有油壓聯鎖保護回路及溫度報警等。保護回路如表5—8所示。

　　(2)二次壓縮機(C—2)

　　二次壓縮機為超高壓壓縮機，由功率為6400kW的同步無刷勵磁電機驅動，排氣量為38．1t／h，轉速為200r／min，系兩級八缸臥式對置平衡型大型壓縮機。二次壓縮機(C—2)作用為把由混合器(V—1)來的約22—25MPa的乙烯氣壓縮到反應壓力，送聚合反應器(R—3)。二次壓縮機作為本裝置的心臟設備，若出現問題不能運轉，裝置只能停工。為保證壓縮機安全，在二次壓縮機(C—2)一段、二段出口設有油壓式安全閥，安全閥所需的油壓，由Z—4系統提供。動作壓力設定為：一段144MPa；二段270MPa另外，設有13點保護回路(如表5—9)及溫度報警，以確保在異常情況下，壓縮機、電機的安全。

　　(3)反應釜(R—3A／B)

　　反應器是一直立厚壁圓筒超高壓容器，為本裝置的關鍵設備。器內有一攪拌器，筒體內上部裝有攪拌電機，中部兩側裝有防爆安全裝置，在內壓超過允許壓力時，爆破板首先爆破將壓力釋放。筒體外壁設有夾套，通入水或蒸汽作冷卻或加熱用。反應釜(R—3)主要作用是將經二次壓縮機(C—2)壓縮的原料乙烯氣，在高溫高壓下，一面注入催化劑，一面由攪拌器充分攪拌，以利于傳熱，同時防止局部過熱分解反應，使乙烯連續地聚合為聚乙烯。本裝置反應器為750L大型釜式反應器，采用雙釜串聯生產工藝。從而達到節約建設費用、提高轉化率、降低能耗、物耗等目的。實際生產中，如發生攪拌電機電流過高、反應釜泄露、溫度、壓力失控、催化劑泵注入不良等問題時，原則上考慮以停車處理。另外，為保護攪拌器電機和攪拌的兩個軸承，防止攪拌電流過高燒毀電機及出現其他事故，從安全角度考慮，操作法規定，攪拌器每運轉4000—5000h，進行中修工作，更換攪拌槳及攪拌電機，保證裝置的正常運轉。攪拌是釜式法高壓聚乙烯區別管式法高壓聚乙烯最明顯的標志之一，是裝置的非常關鍵的設備，如果攪拌電流發生異常，不到攪拌更刻時間的時候也必須停車處理更換攪拌槳。

　　(4)高壓換熱器(E—15A／B)

　　超高壓換熱器是本裝置的主要換熱設備之一。本裝置的超高壓換熱器均為套管式，為剛少結垢，提高傳熱效果，對水質要求很高，并采用超聲波除垢器進行日常除垢工作。因本刻熱器在超高壓條件下工作，所以在材料、制造、加工、裝配上要求較高而且嚴格。本換熱器的軸端密封，按溫度壓力不同，采用熱套式。E—15A為套管式熱交換器，分為四組，可以按照必要的冷卻量進行冷卻。其作用為冷卻從R—3A送來的乙烯氣和聚乙烯的混合物，降低R—3B進料溫度，以期提高轉化率，減少次品的發生。但R—3A與R—3B的產率比發生變化，會影響產品質量。因此，在不影響產品質量的條件范圍內，控制E—15A的出口溫度盡可能的低，是保證轉化率和產品質量的重要控制手段。在實際生產中，往往出現E—15A再生時間不夠、管壁結垢過厚導致產品轉化率下降，影響產量；或者在停車過程中，殘存的聚乙烯固化堵塞換熱器，導致無法正常開車等現象出現。因此設置有高壓蒸汽與冷卻水切換閥，遇見上述問題時，切換至高壓蒸汽進行加熱和吹掃工作。E—15B為套管式熱交換器，分為兩組。是為了防止由于R—3B出口閥PCV—5的減壓，造成混合物的溫度上升，使生成的聚乙烯的質量惡化而設置的冷卻器。由于超高壓的減壓為放熱反應，并且反應壓力越高，溫升越大。聚乙烯一達到這樣的高溫，很容易分解產生染色品，低聚物增多。因此，減壓后必須盡快地降低溫度。但是，樹脂溫度的變化對高、低壓分離器及擠壓切粒機(X—1)的操作影響很大。因此，要根據不同的熔融指數(M1)產品來進行冷卻情況的更改。

　　(5)催化劑泵(Cat—P)

　　催化劑泵是將催化劑送人反應器，以引發乙烯聚合反應，為本裝置重點設備之一。反應器的反應溫度控制很嚴格，它是由單位時間內注射催化劑量來控制。催化劑量的多少直接影響到高壓聚乙烯反應溫度和產品的應用及質量。為了滿足催化劑注射量的變化，采用油壓變量泵來調節。催化劑泵的超高壓產生是由大截面的低壓活塞推動小截面的高壓柱塞來實現的。低壓氣缸是雙作用的，兩端輪換進油推動低壓活塞作往復運動，從而使高壓氣缸吸人催化劑和排出超高壓力的催化劑。

　　乙烯的聚合反應是一個強烈的放熱反應，催化劑泵輕微的故障會導致注入量的波動，將引起反應溫度波動較大，甚至造成反應溫度失控或超溫聯鎖，導致停車。因此，在實際生產過程中催化劑泵的備用流程是一個很重要的問題。目前，高壓催化劑泵備用流程為兩備四流程。通過適當切換手動閥的開關和DCS中的軟開關，保證備用泵能將催化劑送到所需要的任何一點。

　　(6)切粒機(X—1)

　　本裝置切粒機由一臺750kW的直流電機帶動，轉速為950—95r／min，通過速比為1／8．64的二級減速機帶動，可擠壓7．5-9．5t／h聚乙烯料。水中切粒裝置轉動部分的驅動電機功率為45kW，由滑差電機控制轉速，并由皮帶傳動傳給切刀軸，切刀轉速為1300-130r／min。為保護切粒機、電機安全，切粒機自身設有13保護點聯鎖，一旦符合聯鎖條件，切粒機將自行停止。聯鎖動作時，控制室指示燈亮并報警，不影響其他崗位正常生產，

　　3．特殊閥門

　　(1)超高壓調節閥(PCV—5)：本壓力調節閥為氣動費歇閥，采用氣缸執行機構，設于反應器B釜下部物料的出口管線上，通過該閥將聚乙烯和來反應的乙烯物料從反應壓力減壓到25MPa左右，再去分離器使聚乙烯與乙烯分離。故該閥對保證物料的暢通和穩定反應器的操作起到重要的作用。同時該閥還是保證反應壓力的最關鍵閥門，目前該閥的控制及執行機構老化比較嚴重，先進的油壓閥是將來改造此閥門的首選。

　　(2)柱塞式遙控操作閥(HCV—33)：本壓力調節閥為費歇閥，采用氣動薄膜式執行機構，設于反應器A釜下部物料的出口管線上，日常生產中由手動調整開度來調節反應器A釜、B釜壓差，來進行反應釜的壓力控制。

　　(3)緊急放空閥(HCV—31)：是油壓緊急放空閥，在反應壓力達到設定的高限時自動打開，將反應器及系統內的乙烯和聚乙烯緊急放空，保證裝置的正常生產。